AP1000核電廠環吊國產化技術要求分析*

翁晨陽，曹艷芳

(上海核工程研究設計院，上海200233)

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AP1000核電廠環吊國產化技術要求分析*

翁晨陽，曹艷芳

(上海核工程研究設計院，上海200233)

摘要：由于核電廠總設計理念以及起重機標準的差異，AP1000環吊的技術要求與二代核電廠環吊之間存在顯著差異。通過對AP1000環吊的主要技術參數、安全分級、抗震分類、使用工況、抗震分析方法、起升機構強度設計、起升機構布置形式等方面的要求進行梳理和分析，明確了AP1000環吊國產化的主要技術要求，為AP1000環吊的設備國產化作了有益的嘗試和探索。

關鍵詞:AP1000環吊國產化技術要求

1概述

從20世紀80年代中期以來，國際核能界廣泛開展第三代核電技術的研發，取得多項具有工程實用價值的成果，AP600/AP1000是其中的一種。AP系列的主要特征是采用非能動安全原理，使核電廠的系統、設備、構筑物大幅度簡化，安全性、可靠性、經濟性大幅度提升[1-2]。

我國通過第三代核電自主化依托項目從美國西屋公司引進4臺AP1000機組，分別位于浙江三門與山東海陽。在引進消化吸收的基礎上，我國還正在開發國產化的CAP1000堆型以及具有自主知識產權的CAP1400堆型。

為降低機組的整體造價，并結合中國國內核電產業技術的成熟性，CAP1000堆型以及CAP1400堆型設備將主要由國內供貨，反應堆廠房環吊即為國內負責供貨的國產化核島主設備之一。

由于中美兩國核電廠設計理念、采用的標準體系存在較大的差異，AP1000核電廠環吊的國產化給國內的設計院以及制造廠的設計和制造提出了新的挑戰。本文將梳理AP1000核電廠環吊的主要技術參數，分析AP1000核電廠環吊的主要特點，并在此基礎上總結AP1000核電廠環吊國產化的主要技術要求。

2AP1000環吊的主要技術參數

AP1000環吊的主要技術參數如下[1]：

環吊主起升機構：～215.5 t，起升高度41.7 m；環吊副起升機構：22.7 t，起升高度43.3 m；環吊跨度為37.8 m，軌距為8.534 m；環吊主梁承載能力約為726 t。

在正常工況下工作級別為CMAA “C”級，在蒸汽發生器更換工況下為CMAA “A”級。

環吊起升速度、小車運行速度以及大車運行速度均在ASME NOG-1推薦的范圍之內。

AP1000環吊的主要技術參數與百萬千瓦級二代核電廠環吊(以田灣AES-91堆型環吊為例[3])的對比如表1所示。可見兩者跨度、起重量相當，但AP1000環吊具有更高的起升高度，且要求更高的主梁承載能力。

表1AP1000與AES-91環吊技術參數對比

項 目AP1000AES-91跨度/m37.841.5起重量/t主鉤215.5205副鉤22.732起升高度/m主鉤41.732副鉤43.334主梁最大承載能力/t360726

3AP1000環吊的主要特點

3.1安全分級

在二代核電廠中，除了田灣的AES-91型核電廠環吊外，其余堆型的反應堆廠房環吊均不需要操作燃料組件或者燃料運輸容器，被劃分為非安全級設備[1,3]。

AP1000核電廠中環吊的功能與絕大部分二代核電廠環吊類似，主要用于在停堆換料期間起升反應堆壓力容器頂蓋、上部堆內構件、下部堆內構件等載荷。

但是AP1000核電廠對環吊的安全性提出了更高的要求，以避免環吊上的載荷跌落對反應堆廠房內安全相關設備造成損傷。AP1000核電廠環吊的承載部件被劃分為安全3級、其余部件被劃分為非核級。

3.2抗震分類

在二代核電廠中，除了田灣的AES-91型核電廠環吊外，其余堆型的反應堆廠房環吊均劃分為非抗震類設備，但在規范書的相關章節補充了部分抗震方面的要求，主要包括以下三個方面[3]：

1)確保設備在設計基準地震工況下，主要承載部件不被破壞；

2)地震發生時，設備橋架和小車不會從各自的軌道上跌落；

3)設計基準地震后，設備經過適當的檢修，應能繼續正常運行。

而AP1000核電廠環吊的承載部件被劃分為抗震I類，其余部件被劃分為抗震II類。在規范書的相應章節也提出了結構完整、零部件不跌落、維修后能投入使用等要求。

3.3使用工況

對于二代核電廠，在核電廠建造階段環吊需用于吊運蒸汽發生器、反應堆壓力容器等重載物項，因而二代核電廠環吊需增設安裝小車，依靠安裝小車與運行小車聯動完成重載物項的吊裝，或者運行小車本身須滿足超載物項的吊裝需求[3]。

而AP1000核電廠在建造階段，蒸汽發生器、壓力容器的重載物項均通過核島廠房外重型履帶起重機吊裝，環吊僅用于在停堆換料期間吊運壓力容器頂蓋、上部堆內構件、下部堆內構件等物項。

但AP1000核電廠環吊需滿足潛在的蒸汽發生器更換需求，主要包括以下幾個方面：

1)環吊主梁應具備承受蒸汽發生器更換載荷(約726 t)的能力；

2)由于AP1000核電廠采取了安全殼穹頂更換蒸汽發生器的方案，環吊主梁間距應能容許蒸汽發生器從中通過；

3)主梁內側應設置托架，用作更換蒸汽發生器時的臨時支撐。

3.4抗震分析方法

二代核電廠環吊支撐于鋼筋混凝土廠房的牛腿之上，其抗震分析方法要點如下：

1)取環吊大車軌道標高處的地震反應譜作為輸入反應譜；

2)取環吊大車軌道以上的部分作為待評價的力學模型；

3)取材料的屈服應力作為許用值。

而AP1000核電廠環吊支撐于鋼安全殼筒體的箱型鋼梁上，環吊的抗震分析要求考慮鋼安全殼的柔性，因此其抗震分析采取以下方法：

1)取地面反應譜作為輸入反應譜；

2)取鋼安全殼與環吊的耦合模型作為待評價的力學模型；

3)依據ASME NOG-1取0.9倍材料屈服應力作為許用值[4]。

此外，AP1000核電廠環吊還要求考慮以下因素：

1)地震工況下環吊沿軌道的滾動或滑動效應，以及輪緣限值下軌道法向滑動效應；

2)如果環吊反應譜分析結果表明地震工況下鋼絲繩會發生松弛，應根據ASME NOG-1第4154節的要求對松弛鋼絲繩作非線性時程分析。

3.5起升機構承載構件強度設計

二代核電廠環吊主要遵照GB/T 3811《起重機設計規范》、EJ 801《核電廠專用起重機設計準則》以及俄羅斯環吊標準NP043-03等國內外標準執行，其對起升機構承載構件的強度要求如表2所示[5-7]。

表2　二代核電廠環吊起升機構承載構件強度要求

注：σs為屈服強度，σb為抗拉強度。

AP1000核電廠環吊設計主要遵照CMAA 70、NRC NUREG-0554執行，同時參照ASME NOG-1抗震分析方面的補充要求[4，9]，其對起升機構承載構件的強度要求如表3所示。

表3AP1000環吊起升機構承載構件強度要求

標準起升機構承載構件強度要求CMAA701類載荷,σ<0.6σs=σs/1.672類載荷,σ<0.66σs=σs/1.523類載荷,σ<0.75σs=σs/1.34NUREG0554第4.3節:能承受200%最大危險載荷(Maxi-mumCriticalLoad,MCL),即σ<0.3σs=σs/3.33

由以上對比可知，AP1000核電廠環吊的起升機構承載構件強度要求高于二代核電廠環吊的要求，在國產化的過程中應按較高要求執行。

3.6起升機構布置形式

二代核電廠環吊與AP1000核電廠環吊的起升機構均需滿足單一故障保護的要求，但是采取了不同的結構形式。幾種主要的結構形式表4所示[9-10]。

表4　二代核電廠環吊典型起升機構布置形式

ASME NOG-1中要求單一故障保護起重機的起升機構應為單套驅動型或者雙套驅動型。ASME NOG-1推薦的單套驅動型如圖1所示，雙套驅動型如圖2所示，可見其與二代核電廠環吊起升機構的布置形式類似，兩者具有相當的安全性。

4總結

AP1000核電廠環吊的主要技術參數與百萬千瓦級二代核電廠環吊相當，但對起升高度和主梁承載能力提出了更高的要求。在AP1000核電廠環吊國產化過程中應關注以下特點：

1)設計分級更高：承載部件被劃分為安全3級，抗震I類，其余部件被劃分為非安全級、抗震II類；

2)使用工況不同：不要求在核電廠建造階段吊裝蒸汽發生器、壓力容器等重載物項，但要求滿足潛在的蒸汽發生器更換需求；

3)抗震分析要求更高：抗震分析需考慮鋼安全殼的柔性，取地面反應譜對環吊與鋼安全殼的耦合力學模型進行分析；

4)起升機構承載構件強度要求更高：根據NUREG-0554應能承受兩倍最大危險載荷；

5)起升機構單一故障保護：允許采用單套驅動型或雙套驅動型布置形式。

參考文獻

[1]鄭明光，杜圣華. 壓水堆核電站工程設計 [M]. 上海: 上?？茖W技術出版社, 2013.

[2]孫漢虹. 第三代核電技術AP1000 [M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

[3]姜百文, 馬援東. AES-91型核電機組環吊國產化技術方案 [J].核動力工程，2012，33(4): 64-66.

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[5]中國國家標準化委員會. 起重機設計規范:GB/T 3811 [S].中國標準化出版社，2008.

[6]核能利用工程項目吊車的安裝和安全運行要求:NP-043-03 [S]. 2003.

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[8]Crane Manufacturers Association of America. Specification for Top Running Bridge and Gantry type Multiple Girder Electric Overhead Traveling Cranes: CMAA 70[S]. CMAA ,1999.

[9]曲德輝, 李小輝, 王勇, 等. 橋式起重機的單一故障保護分析 [J].中國機械，2014(7)184.[10]賀小明，奚梅英，翁晨陽. 核電廠橋、門式起重機防單一故障特性要求 [J]. 起重運輸機械, 2012 (9)88-94.

中圖分類號：TL48

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0062-04

基金項目：CAP1400核島重大設備設計技術研究(2011ZX06002-002)。

作者簡介：翁晨陽(1984-)，男，漢族，江蘇海安人，工程師，碩士研究生，現從事核電廠裝換料工藝專業及起重運輸專業設計工作。

收稿日期：2015-10-27

Technical requirements for the localization of AP1000 polar crane for nuclear power plants

WENG Chenyang, CAO Yanfang

Abstract:Due to the differences in design ideas and standards, there exists considerable differences between the technical requirements of AP1000 polar crane and that of the second generation polar crane for nuclear power plants. Through analysis of the main technical parameters, safety classification, anti-seismic category, operating conditions, anti-seismic method, hoisting structure strength and hoisting structure arrangement of AP1000 polar crane, we cleared the main technical requirements for the localization of AP1000 polar crane, which would benefit further exploration of the localization of AP1000 polar crane.

Keywords:AP1000; polar crane; localization; technical requirements